信息机房场地环境内气流技术用语的研究与定义

国家气象信息中心计算机室 沈 洸 顾建国 别 毅

      摘要：计算机、通讯设备的迅猛发展；刀片式服务器的出现和广泛应用；电子计算机本不断地向集成化、密集化发展，这些都对信息机房场地环境系统提出了更高的技术要求，也对传统的信息机房场地环境系统设计理论和规范提出了严峻挑战。对此，国内外关于信息机房场地环境的设计和科研机构，都加强了对信息机房场地环境系统内气流组织结构的研究，但到目前为止，还未有一个设计和科研机构对信息机房场地环境内气流组织的特征和形式给出详细的定义，对定性的研究造成不便。本文针对国家气象信息中心的高性能计算机房，对其场地环境系统内的气流组织的特征和形式，经过细致研究，给出
了详细的定义，对信息机房场地环境系统设计理论和规范的完善起到推动作用。

      近年来，计算机和通讯设备技术迅猛发展；刀片式服务器得到广泛应
用；计算机本身不断地向集成化、密集化发展，这些都对信息机房场地环境系统提出了更高的技术要求，也对传统的信息机房场地环境系统设计理论和规范提出了严峻挑战。特别是在以气流作为冷、热负荷载体的信息机房环境内，普遍存在能耗利用率低、机房内温度分布不均匀、服务器机柜局部过热等问题，容易发生因信息场地环境系统设计缺陷而诱发的IT设备宕机故障，严重时还造成IT设备停机。
      但到目前为止，国内外对空调系统中气流组织的定义还停留在对整个大空间内下送上回、上送下回等送回风方式上，并未有一个设计和科研机构对信息机房场地环境内气流组织的特征和形式给出详细的定义，这对气流组织的特征和形式的定性研究造成了不便。经过长期对我国国家气象信息中心的高性能计算机房场地环境的观察研究，发现在信息机房场地环境内同时存在多种形式循环状态的受限气流组织结构。因此，为了便于对信息机房场地环境内气流组织的进一步深入研究，本文对高性能计算机房场地环境内的各种循环气流组织结构模式、流程技术用语进行了研究与定义。
      本文对高性能计算机房场地环境内的各种循环气流组织结构模式、流程技术用语进行了研究与定义，此定义在信息机房场地环境领域具有普遍性和积极的推动作用，有助于信息机房场地环境系统的设计和方案的优化，从而提高信息机房场地环境技术支持系统服务质量和整体运行功效，达到节约能源降低能耗的效果。

1 信息机房内气流技术用语的现状
      目前，国内外设计部门和研发机构在信息机房场地环境系统方案设计时，大多依据《电子计算机机房设计规范》(GB50174-93)国家标准进行设计，此规范于1993年制定，距今已15年，现如今已不能很好地适应计算机、存储、网络和通讯设备快速发展的技术需要。对信息机房内场地环境气流组织结构循环模式、气流技术用语如何定义，缺乏深入的、全面的、整体和系统的研究和解决方案。随着刀片式服务器的出现和普及，计算机、存储、网络和通讯设备向超大热容量、超高热密度、密集框架结构、组合排列快速发展。在信息机房场地环境系统中，出现了超大热容量、超高热密度服务器机柜与低热容量、低热密度服务器机柜混合安装在一个信息机房环境内的模式。经观察分析发现，在信息机房环境内同时存在多种形式循环状态的气流。因此在分析任何一个具体循环状态的气流时，对于该种循环状态的气流在信息一直是研究和关注的重点。
      流体最基本的特征是它们的流动性，因此研究流体的运动规律便具有重要的普遍意义。各类信息机房的具体结构是不一样的，信息机房内安装的设备种类、设计布局、热容量和热密度也不相同，但所有信息机房内的气流都同属受限射流，它们的基本属性是一样的，因此具有一定的普遍性。为了客观地研究分析信息机房内各种循环气流组织结构流程模式，就必须对它们进行区分并分别定义。
2 信息机房内气流组织用语的定义
2.1 热流、冷流
      热流：是指在信息机房场地环境系统内输送热负荷的气流，即从服务器设备出口出回到精密空调入口的携带热负荷的气流，一般温度较高。冷流：是指在信息机房场地环境系统内输送冷负荷的气流，即从精密空调出口出回到服务器设备入口的携带冷负荷的气流，一般温度较低。
2.2 循环状态气流
(1) 环流
      环流是指在信息机房场地环境系统内，气流经由精密空调送风口→活动地板下→活动地板风口→机房→服务器机柜入口→服务器机柜出口→机房→精密空调回风口所构成的一个循环，如图1所示。

      环流是信息机房场地环境中最理想、制冷效果最高的一种气流方式，但环流是一种理想化的气流循环流动状态，在现实中并不存在。在信息机房场地环境系统方案设计和实际运行中，应尽可能地建立类似环流这种组织模式，这是解决气流通畅高效循环的关键。
(2) 回流
      回流是指在信息机房场地环境系统内，气流经由精密空调送风口→活动地板下→活动地板风口→机房→精密空调回风口所构成的一个循环，如图2所示。

      回流与环流相比，整个气流未经服务器进行冷热交换而直接回到机房精密空调回风口，极大降低了制冷效率，消耗能量，做无用功。在信息机房场地环境系统方案设计和实际运行中都应尽量杜绝回流模式的存在。
(3) 漏流
      漏流是指在信息机房场地环境系统内，气流经由精密空调送风口→活动地板下→活动地板上的线缆穿孔和地板缝隙→机房→精密空调回风口所构成的一个循环，如图3所示。

      柜在地板上穿线缆用的孔开口过大，虽然进行了封盖，但封盖不是密封效果不佳，以及地板缝隙密闭不严使大量冷流溢出。此种气流组织也降低了制冷效率、消耗能量，做无用功，在信息机房场地环境系统方案设计和实际运行中同样要减少漏流模式的存在。
(4) 漩流
      漩流是指在信息机房场地环境系统内，气流经由服务器机柜入口→服务器机柜出口→机房→回到服务器机柜入口构成一个循环，如图4所示。

      漩流是一种对设备制冷极其不利的一种气流组织，它主要是由于机房内对服务器机柜出口处的回风没有适当的引导装置所致。它既浪费能源又造成机房内局部过热以至IT设备宕机或停机。因此在信息机房场地环境系统方案设计和实际运行中要尽量杜绝漩流模式的存在。
(5) 涡流
      涡流是指在信息机房场地环境系统内，气体在机房的某个空间内，不经过机房精密空调，服务器机柜和活动地板下，自我循环的气流组织模式，如图5所示。

      涡流的形成主要是因为设备安装位置设计布局不合理，使气流容易在内部形成循环。经过研究和观察，发现在机房空间内存在多处带有冷或热负荷的气流组织形成的涡流模式，该模式浪费了大量能源，也不利于服务器机柜内热量的及时排出。因此在信息机房场地环境系统方案设计和实际运行中都应尽量避免涡流模式的存在。

3 结束语
      本文就国家气象信息中心高性能计算机房场地环境内存在的各种气流组织形式做出了详细的描述和定义，对各种气流组织的形成原因、优缺点及分布情况也进行了分析，这对信息机房场地环境的研究具有普遍意义。在今后的工作中，将进一步对场地环境内的气流状态做出区域性和整体性的描述和分析，更加直观有效地分析和解决场地环境中存在的各种问题。面对计算机、存储、网络和通讯设备超大热容量、超高热密度和密集框架结构组合排列快速发展的技术需要；面向超大热容量超高热密度服务器机柜与低热容量低热密度服务器机柜混合安装在一个信息机房环境内发展的模式，为新一代计算机、存储、网络和通讯系统的引进，拟定创新信息场地环境技术支持系统工艺结构设计和配置方案，提前做好科学的必要的具有前瞻性的科技理论和技术储备；为信息场地环境项目工程建设提供必需创新技术支持；为中国气象局各省局气象信息中心信息场地环境项目工程设计方案，提供具有建设意义的技术指导，这是信息机房场地环境系统技术团队应肩负的责任。